秋夜的天空没有星,一群知更鸟仍按原方向飞走。眼里的蓝光被滤掉时,方向就乱了;周围的磁场一变,路线随之偏转。这类现象指向一种既不看也不闻的感觉。
磁感没有单一器官,至少两套结构各给一条线索
一套在眼里,一套在嗅上皮或上喙。前者依赖光,后者依赖含铁的晶体。两套结构给出的信息不同:一套指方向,一套可能参与强度与倾角的比较,两者并不互相替代。
鸟类、鲑鱼、海龟与部分昆虫都表现出对磁场的反应。反应方式各不相同,说明磁感受不是一种统一的器官,而是几类组织各自演化出的能力,方向与强度都能被记录。
眼底的隐花色素把光与磁场绑在一起
鸟的视网膜里有隐花色素蛋白,吸收450纳米附近的蓝光后,分子在1微秒内形成一对自由基,两个电子的自旋状态受地磁场影响,寿命随之改变,差别极小却足以改变下游信号。
这种变化落在视网膜的特定细胞上,信号经视神经传入脑。夜间迁徙的鸟在前脑一个叫Cluster N的区域出现活跃,此区只在迁徙季的夜间亮起,白天安静,活动强度与迁徙的迫切程度同步。
嗅上皮里的磁铁矿链把磁场变成机械信号
虹鳟与鲑鱼的嗅上皮里有一类细胞,内含单畴磁铁矿晶体,粒径约50纳米,不到一根头发直径(约70微米)的千分之一,几颗连成短链。链的取向随外界磁场转动,牵动细胞膜,膜因此发生形变。
膜上连着机械敏感的离子通道,链一偏,通道开合改变,神经放电随之变化。这条通路与嗅觉上皮相邻,但传递的不是气味,而是磁场的方向与强度。磁场在这里被转成了机械信号。
磁北只给方向,位置还要靠太阳、星辰与地形
地磁场强度在25–65微特斯拉之间,不到1高斯,磁倾角随纬度变化。鸟能读出倾角,据此判断自己离磁极有多远,但单靠这一项定不出经纬度,赤道附近磁力线接近水平,两极接近垂直。
迁徙路线是多套线索叠出来的:白天用太阳与偏振光,夜间用星辰,黎明与黄昏用磁北校准。阴天时磁感的分量更重,晴天则退到后面,各套线索互相校正。
关键数据
下列数值取自常见类群与地磁环境,用于对照尺度,不能据以定种,地理位置造成的差异同样明显。
- 地磁场强度25–65微特斯拉,不到1高斯。
- 隐花色素吸收450纳米附近的蓝光。
- 磁铁矿单畴晶体粒径约50纳米。
- 磁倾角随纬度由0度变到90度。
- 迁徙鸟前脑的Cluster N在夜间活跃。
- 鸟的磁感依赖蓝光,红光下反应减弱。
边界
这套机制仍有争议。鸽子上喙的磁铁矿颗粒曾被认为是受体,后来的重复观察没能稳定重现,颗粒是否参与定位还没有定论,只能说它是一条可能的通路。
屏蔽磁场后鸟的方向会散,但个体差异很大,阴天与晴天也不一样。磁感受只能解释方向的一部分,不能当成唯一的导航器官,嗅觉与地形同样在起作用。
参考文献
- 郑光美 主编.《鸟类学》(第 2 版). 北京师范大学出版社, 2012. —— 迁徙定向与磁感受。
- 刘凌云, 郑光美 主编.《普通动物学》(第 4 版). 高等教育出版社, 2009. —— 感觉器官的一般原理。
- 杨安峰 编著.《脊椎动物学》(第 2 版). 北京大学出版社, 1992. —— 鱼类的感觉器官。